DE69007608T2 - Beschichtete Schweissdüsen. - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft Schweißdüsen, insbesondere wie sie beim Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) benutzt werden.
- Es existiert eine Vielzahl von Verfahren zum Schweißen oder Schneiden von Materialien, insbesondere Metallen, bei denen es aus praktischen Gründen erwünscht ist, daß das Verfahren an der Luft durchgeführt wird, aber das heiße (insbesondere das geschmolzene) Metall vor der Luft und/oder vor Verunreinigung (z.B. Staub) geschützt werden soll. Derartige Systeme benutzen üblicherweise Lichtbogen- oder andere Plasmabeheizung. Das Erfordernis, das heiße Metall (oder die Elektroden) während des Arbeitens an der Luft vor der Luft zu schützen, wird durch die Verwendung einer angenähert zylindrisch geformten Düse (oder Cup) erfüllt, welche über die Heizquelle (z.B. Stromzuführungsröhrchen oder Elektroden) paßt, so daß ein Inertgas durch die Düse und über die Elektroden und das heiße Metall geleitet werden kann, um diese vor der Luft zu schützen. Derartige Düsen (oder Cups) bestehen hauptsächlich oder ausschließlich aus Metall oder Keramik; letzteres wird in umfangreichem Maße beim TIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas-Schweißen) benutzt, da das Ausmaß an Wärmezuführung und insbesondere an Verspritzen von Metall auf die Düse begrenzt ist.
- Keramiken sind beim MIG-Schweißen versuchsweise eingesetzt worden, um die Spritzeransainmlung auf der Düse (ein größeres Problem beim MIG-Schweißen als beim TIG-Schweißen) und damit die Ablenkung oder Blockierung des Gasstroms zu verringern. Keramische Düsen sind ebenfalls benutzt worden, da sie elektrische Isolatoren sind und ein geringeres Gewicht als die entsprechenden Metalldüsen haben. Dennoch sind Keramikdüsen wegen der größeren Spritzerprobleme oder mechanischer Ermüdung (aufgrund thermischer Spannungen oder mechanischem Stoß) oder beidem beim MIG-Schweißen im allgemeinen nicht erfolgreich gewesen. Einige monolithische Keramiken, z.B. Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), die einen gewissen Grad an technischem Erfolg gezeigt haben, haben sich außerdem als viel zu teuer (z.B. um das fünf- bis zehnfache) erwiesen.
- Die Erfindung beschäftigt sich sowohl mit den Leistungs- als auch den Kostengesichtspunkten, indem ein Satz von Technologien kombiniert wird, um einen Typ von Düsen zu erhalten, die eine Reihe von Kosten- und Leistungkriterien erfüllen.
- Die Patentliteratur ist voll von Versuchen (im großen Umfang nicht erfolgreich), die Probleme von Verschlackung (Schlacke- oder Spritzeransammlung), Bruch und Erosion bei MIG-Schweißdüsen zu lösen. Die folgenden US-Patente können erwähnt werden.
- US-A-2,827,550 offenbart eine Düse (unbeschichtet), die aus einem mit Papier, Glasfaser oder Asbest verstärkten wärmegehärteten Harz hergestellt ist.
- In der US-A-3,237,648 ist das Stromzuführungsröhrchen (Zusammensetzung nicht angegeben) mit Siliciumnitrid beschichtet. Die Düse (Zusammensetzung nicht angegeben) ist nicht beschichtet.
- US-A-3,430,837 offenbart eine keramische Düse und ein mit Teflon oder pyrolytischem Graphit beschichtetes Mittelröhrchen.
- US-A-3,536,888 offenbart eine Düse, die aus Porzellan, Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Zirkoniumsilikat, Zirkoniumoxid, Magnesium-Aluminiumsilikat, Cordierit, Mullit, keramischem Graphit oder Bornitrid gebildet wird. Die Düse ist mit einem Silikat oder Silikon beschichtet.
- In US-A-4,575,612 weist die Düse einen hitzebeständigen Stahlmantel auf, welcher mit Chromoxid, Aluminiumoxid oder "Keramik" beschichtet ist. Das Stromzuführungsröhrchen kann geflochtene Glasfaser umfassen, welche mit Silikon beschichtet sind.
- JP-A-01-282177 offenbart eine Brennerdüse, die eine Beschichtung aus hexagonalem Bornitrid (BN) mit einem Oxidbindemittel auf einer homogenen keramischen Basis, wie z.B. Aluminiumoxid, aufweist. Um die Beschichtung zu erhalten, wird AlPO&sub4;-Säurelösung mit dem BN gemischt und auf die Düse aufgetragen.
- JP-A-61-111783 offenbart eine Brennerdüse, die eine chemische Dampfphasen-Beschichtung (CVD) einer Titanverbindung, z.B. TiC, TiN, auf einer nichtoxidischen Keramikdüse, z.B. SiC, Si&sub3;N&sub4;, aufweist.
- US-A-3 698 646 offenbart einen Schweißdüseneinsatz, der eine Beschichtung aus pyrolytischem Kohlenstoff auf einer Filzbasis mit polykristallinem Graphit oder einer carbonisierten Filzbasis aufweist.
- US-A-4,672,163 offenbart eine unbeschichtete Düse, die aus Siliciumnitrid oder Sialon gebildet ist.
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Schweißdüseninundstück (oder Cup) mit überlegener Widerstandsfähigkeit gegenüber Bruch durch plötzliche Temperaturveränderung, gegenüber Schlackenbenetzung und Erosion für schwierige Gasschweißumgebungen, wie z.B. Metall-Inertgas-Schweißen (MIG), insbesondere für automatische oder mit Robotern durchgeführte Verfahren, zur Verfügung zu stellen.
- Eine weitere Aufgabe ist es, einen überlegenen Ersatz für normale Kupfer- oder Messing-MIG-Düsen zur Verfügung zu stellen.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kompositschweißdüse aus einem Keramikfaser- oder -gewebegrundkörper oder einer Keramikfaser- oder -gewebeform herzustellen.
- Eine weitere Aufgabe ist es, eine keramikbeschichtete Schweißdüse herzustellen, wobei die Düse auf Kohlenstoff basiert.
- Eine weitere Aufgabe ist es, Düsen (oder Cups) für andere verwandte Verfahren, wie z.B. Plasma- oder Lichtbogenschneiden, zur Verfügung zu stellen.
- Diese und weitere Aufgaben werden durch die weitere Beschreibung der Erfindung offenbar werden.
- Neue Schweißdüsen (oder Schweißcups) werden mittels eines neuen Verfahrens hergestellt, bei dem ein Düsengrundkörper oder eine Düsenvorform aus Kohlenstoff (vorzugsweise in der Graphitform) oder einem Komposit hergestellt wird, welches Graphitfasern oder andere keramische Fasern und eine Matrix aus Kohlenstoff oder anderem keramischen Material enthält, z.B. eine Kohlenstoffmatrix und Oxid- oder Kohlenstoffasern in geflochtener Form oder anderen Formen, wobei die Vorform mit einer verträglichen Keramik beschichtet wird, welche gegenüber Metallbespritzen resistent ist, wie z.B. Siliciumnitrid, Sialon (welches Silicium- Aluminiumoxynitrid ist), Bornitrid oder Siliciumcarbid. Die erhaltene Düse zeigt eine überlegene Leistungsfähigkeit beim Metall-Inertgas-Schweißen (MIG), insbesondere bezüglich Erosion, Schlackenhaftung und thermischem Bruch. Beschichtungen werden geeigneterweise durch chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) aufgebracht. Wenn mechanischer Stoß und andere mechanische Beanspruchungen nicht besonders stark sind, ist eine bevorzugte Düse (bezogen auf die Kosten und die thermischen Eigenschaften) eine mit Siliciumnitrid beschichtete Kohlenstoff (Graphit)-Vorform. Wenn diese stark sind, so sind Faserkomposite die bevorzugte Vorform.
- Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht mit weggebrochenen Teilen von einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißdüse.
- Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2' von Fig. 1.
- Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißdüse.
- Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4' von Fig. 3.
- Die Basis der Erfindung ist eine Kompositdüse, die auf der Kombination eines monolithischen Kohlenstoffkörpers oder eines in großem Umfang Kohlenstoff enthaltenden Kompositkörpers mit einer keramischen Beschichtung (z.B. Siliciumnitrid) zur Verringerung der Spritzerhaftung/-ansainrnlung und zur Gewährleistung einer guten Widerstandsfähigkeit gegenüber plötzlichen Temperaturänderungen und einer guten Oxidationswiderstandsfähigkeit basiert. Die Düsengrundform oder der Düsengrundkörper selbst kann entweder einfach eine monolithische Vorform aus Graphit (z.B. bestehend aus Graphit, Kohlenstoff oder beiden) oder aus einem Komposit mit dispergierten Teilchen, zerhackter Faser oder einer Endlosfaser alleine oder in Kombination in einer Matrix aus Kohlenstoff oder anderem keramischen Material sein. Diese Reihenfolge an dispergierten Verstärkungsformen spiegelt die Betonung von begrenztem Stoß und anderen mechanischen Anforderungen mit höchster Wärmeleitfähigkeit bis hin zu den höchsten Graden an mechanischer Integrität mit geringerer Wärmeleitfähigkeit wieder. Die Fasern können entweder Graphitfasern oder andere keramische Fasern sein, und das mit den Fasern verwendete Matrixmaterial kann entweder Kohlenstoff (Graphit) oder ein Material vom Keramiktyp sein.
- Die Kohlenstoff/Graphit enthaltende Düse leitet mit ihrer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit Wärme von dem der Schweißzone benachbarten heißen Ende viel besser weg als keramische Düsen. Die keramische Beschichtung stößt die in der Schweißzone hergestellte Schlacke ab. Durch die Verwendung der Kombination aus der Kohlenstoffdüse oder der Kohlenstoff enthaltenden Kompositdüse mit den spezifizierten Beschichtungen ergibt sich eine gute Anpassung der Wärmeausdehnung der Materialien, so daß die Beschichtungen bei wiederholtem Aufheizen nicht abblättern oder abfallen.
- Die Endlosfasern können in verschiedenen Formen sein, aber Wikkelfaser- oder Fasergeflechthülsen oder -röhren sind besonders geeignet. Der Hülsendurchmesser kann in einem weiten Bereich variieren. Eine bevorzugte Hülse wird aus geflochtenen Strängen von Keramikfasern gebildet. Geflochtene keramische Hülsen sind aus verschiedenen Quellen im Handel erhältlich. Hülsen können aus verschiedenen faserartigen Materialien, wie z.B. Aluminiumborosilikat-, Siliciumdioxid-, Siliciumcarbid- und Kohlenstoff/Graphit-Fasern hergestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform können geflochtene Hülsen unter Verwendung von Fasersträngen mit einem Durchmesser von 5 bis 20 um hergestellt werden.
- Matrizen für die Komposite können die gleichen oder ähnliche Materialien wie für die Beschichtungen sein. Kohlenstoff ist jedoch aus thermischen Gründen, Gewichts- und insbesondere Kostengründen bevorzugt. Außerdem ist die Verwendung von in-situ zu Kohlenstoff pyrolysierten Polymeren bevorzugt, obgleich Matrizen mittels herkömmlicher Pulververfahren oder herkömmlicher chemischer Verfahren (z . B. chemische Dampfphasenabscheidung) entwickelt werden können. Z.B. ist die Verwendung von billigen, z.B. schmelzgesponnenen, Silikatfasern durch die Verwendung von aus Polymeren abgeleiteten Kohlenstoffmatrizen (z.B. glasartigem Kohlenstoff) aufgrund niedriger Prozeßtemperaturen durchführbar geworden.
- Beschichtungen aus Si&sub3;N&sub4;, Sialon, SiC, Bornitrid oder Mischungen dieser werden sowohl wegen der Verträglichkeit der Wärmeausdehnung mit der des Düsengrundkörpers und der guten Spritzerwiderstandsfähigkeit als auch wegen ihrer ökonomischen Auftragbarkeit mittels chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD) ausgewählt. Eine fertige Düse kann ebenfalls mittels chemischer Dampfphasendurchdringung einer Faservorform mit einem auf Kohlenstoff basierenden Vorläufer gefolgt von CVD-Beschichtung mit Siliciumnitrid oder einem anderen schützenden Material hergestellt werden.
- Fig. 1 zeigt allgemein den Schweißdüsengrundkörper, welcher aus Graphit oder einem keramischen Gewebe oder Geflecht gebildet ist. An diesem Grundkörper 1 befindet sich zur einfachen Befestigung an einem Schweißbrenner (nicht gezeigt) ein mit einem Gewinde versehenes Ende 3, welches ein integraler Teil des Grundkörpers oder an den Grundkörper angefügt ist. Die Wandungen 5 der Düse 1 sind mit einer dünnen Schicht 7 aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Sialon oder Bornitrid beschichtet. Die Figuren zeigen Wandbeschichtungen sowohl innen als auch außen. Tatsächlich ist eine Beschichtung nur auf der Innenseite und an und nahe dem Ende erforderlich. Jedoch sind bei normalem Auftragen (z.B. mittels chemischer Dampfphasenabscheidung) alle Oberflächen bedeckt. Die Beschichtung ist nicht maßstabsgetreu gezeigt. Bei dem hier beschriebenen Werkstück war sie typischerweise recht dünn und in der Größenordnung von etwa 0,076 bis 0,64 mm (0,003" - 0,025") Dicke.
- Die Figuren 3 und 4 zeigen eine optionale Ausführungsform bei der ein Handhabungsflansch 9 angeformt oder in anderer Weise als Teil des Grundkörpers oder der Vorform 1 gebildet ist.
- Der hier verwendete Begriff "Schweißcup" bedeutet das gleiche wie "Schweißdüse".
- "Mittelröhrchen" bezeichnet das Elektroden tragende Röhrchen in der Achse einer MIG-Düse eines elektrischen Schweißbrenners.
- "Matrix" bedeutet das Material in einem Faserkompositdüsengrundkörper oder -vorform, welches die Fasern zusammenbindet und die Struktur verfestigt und teilweise oder vollständig die Zwischenräume zwischen den Fasern ausfüllt. Es kann z.B. ein organisches Material oder ein Keramikvorläufer eingesetzt werden, um einen faserförmigen Grundkörper oder eine faserförmige Vorform (z.B. geflochtene Keramikfasern) zu durchdringen oder zu imprägnieren, wodurch eine Vorpyrolyse-Matrix erhalten wird, welche in-situ pyrolysiert werden kann, um eine starre, mechanisch feste und thermisch stabile Matrix zu ergeben.
- "Gewebte oder durchflochtene Fasern oder Gewebe" schließt "geflochtene oder in Wickeltechnik hergestellte Fasern" ein. Sofern das Gewebe oder Geflecht nicht angegeben ist, sind geflochtene Fasern gemeint.
- "Vorform" oder "Düsenvorform" bezeichnet (a) im Falle eines Keramikgewebegrundkörpers den Grundkörper oder die Form vor der Durchdringung mit einem Kohlenstoff- oder Keramikvorläufer oder einer anorganischen Gießmasse oder Sol oder (b) wenn der Zusammenhang es erfordert, den Matrix enthaltenden Grundkörper vor dem Beschichten mit Siliciumnitrid oder ähnlichen Substanzen oder (c) im Falle eine Graphitmonolithen einfach den Grundkörpermonolithen bevor Siliciumnitrid oder eine andere Beschichtung aufgebracht wird. Sofern nicht in Übereinstimmung mit dem Zusammenhang bedeutet Düsenvorform im allgemeinen das gleiche wie "Düsengrundkörper".
- Ein bevorzugtes Verfahren zur Beschichtung benutzt die chemische Dampfphasenabscheidung. CVD ist ein gut bekanntes Verfahren zur Abscheidung von Beschichtungen, wie z.B. Siliciumcarbid und/oder Siliciumnitrid, auf geeigneten hitzeresistenten Substraten. Bei der Verwendung von CVD würde die Vorformdüse, z.B. in einer geheizten Kammer (z.B. 1000ºC), angeordnet. Z.B. Siliciumtetrachlorid und Methan treten in die Kammer ein und dissoziieren und reagieren teilweise in Kontakt mit den erhitzten Oberflächen, wodurch eine Siliciumcarbid-Beschichtung auf der Düse abgeschieden wird. Wird Ammoniak für Methan eingesetzt, wird Siliciumnitrid abgeschieden. Eine Mischung aus Methan und Ammoniak mit Siliciumtetrachlorid führt zur Abscheidung einer Mischung aus Siliciumcarbid und Siliciumnitrid. Derartige äußere Beschichtungen sind dicht, extrem hart und verleihen der Düse eine dauerhafte Widerstandsfähigkeit gegenüber Abnutzung. Andere Beschichtungsverfahren beinhalten Packbeschichten (z.B. Si zur Reaktion mit Kohlenstoff in der Vorform) oder Beschichten mit einem flüssigen organometallischen oder präkeramischen Polymer gefolgt von Pyrolyse.
- Die fertige Kompositdüse ist in hohem Maße widerstandsfähig gegenüber Abnutzung, Stoßbelastung, Wärme und der Schweißumgebung. Sie ist leicht und dimensionsstabil bei den Gebrauchstemperaturen. Bei Ausführungsformen, die Kohlenstoff/Graphit sowohl für die Fasern als auch die Matrix benutzen, ist die erhaltene fertige Düse besonders leicht.
- Die mit einer geeigneten Beschichtung versehenen Kompositdüsen können je nach Leistungs- und Kostenanforderungen für die erhaltene Düse mittels einer Vielzahl von Verfahren hergestellt werden, welche dem Durchschnittsfachmann ohne weiteres zur Verfügung stehen. Somit wäre der einfachste Fall bei begrenzten mechanischen (z.B. Stoß) Anforderungen ein üblicherweise maschinell hergestellter oder vorzugsweise gepreßter Graphitkörper, wobei die Dichte, der Graphitgehalt und -charakter (z.B. Teilchengröße) durch die Kombination aus Leistungs-, Kosten- und Verfahrensanforderungen bestimmt werden. Somit sind z.B. Pressen unter Anwendung allseitig gleichen Drucks (Isopressing), Spritzgießen und Formpressen effiziente und gut bekannte Herstellungwege. Bei Anwendungen mit etwas höheren Anforderungen an die mechanische Leistungsfähigkeit über diejenige hinaus, die mit einfachen Kompositen auf Graphitbasis erzielbar ist, werden Komposite mit zerhackter Faser empfohlen. Whisker sind ebenfalls verwendbar, wenn sie zu annehmbaren Preisen zur Verfügung stehen. Ähnliche Formungstechniken können wiederum verwendet werden. Jedoch können bei höheren Faserbeladungen für anspruchsvollere Anwendungen Faservorformen, z.B. durch Vakuumformung, hergestellt werden und dann mit flüssigen Matrixvorläufern oder mit Dämpfen für chemische Dampfphasenmatrixabscheidung durchdrungen werden, wie es unten für Komposite mit Endlosfasern diskutiert ist.
- Endlosfaserkomposite, wie sie erfindungsgemäß benutzt werden, verwenden typischerweise Faserbündel (oder Kabel), welche unter merklichen Winkeln zu der Düsenachse ineinander gewebt sind, wie z.B. bei einer geflochtenen Röhre oder einer Röhre mit gewickeltem Filament. Die Filamentwicklung der Faserkabel kann bei Zugabe des Matrixvorläufers eingearbeitet werden. Wir bevorzugen es jedoch, eine Faservorform herzustellen, z.B. aus geflochtenem Rohr, und dann dieses mit einem flüssigen Matrixvorläufer zu durchdringen, welcher normalerweise eine Keramik ergibt, wenn er geeignet pyrolysiert wird. Eine derartige Pyrolyse ist vorteilhaft, da moderate Temperaturen (z.B. 1000ºC) erforderlich sind, wodurch die Auswahl an einsetzbaren Fasern wesentlich erweitert wird, da die Verarbeitungsbedingungen eher als die Anwendungsbedingungen die Art der Faser häufig einschränken. Andere flüssige Vorläufer, z.B. Gießmassen oder Sole, können ebenfalls als Durchdringungsmittel eingesetzt werden. Zusätzlich kann ebenfalls chemische Dampfphasendurchdringung verwendet werden, um die Matrix (d.h. das imprägnierende Material) mittels Durchdringung durch Dämpfe herzustellen. Obwohl verschiedene Fasern, z.B. Kohlenstoff/Graphit, SiC, etc., verwendet werden können, sind Oxid- und insbesondere schmelzgesponnene Oxidfasern aufgrund geringer Kosten und besserer Oxidations-Korrosions-Resistenz (z.B. im Falle von Bruch der schützenden Beschichtung) bevorzugt.
- Obwohl andere Keramiken verwendet werden können, ist Kohlenstoff wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit und insbesondere der geringeren Kosten sowie der gesamten chemischen und mechanischen (z.B. Wärmeausdehnung) Verträglichkeit mit dem Rest des Systems als Matrix bevorzugt. Wenn der Bruch der Beschichtung bei drastischen Oxidations-Korrosions-Umgebungen zu Problemen für die Kohlenstoffmatrix führen kann, ist das Hinzumischen von keramischen Bestandteilen, wie z.B. SiC, Si&sub3;N&sub4; und insbesondere SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; + SiO&sub2; (Mullit) oder anderen Silikaten, Boraten oder Borosilikaten zu empfehlen, welche als Teilchen oder Sole, Polymere oder andere Flüssigkeiten mit dem Kohlenstoff erzeugenden Polymer vor der Pyrolyse eingeführt werden. Es ist festzuhalten, daß mehr als ein Imprägnierungs-Pyrolyse-Zyklus mit den Polymervorläufern erforderlich sein kann, obwohl die oben angegebene Verwendung von teilchenförmigen Füllstoffen das Erfordernis nach zusätzlicher Durchdringung verringern kann.
- Bei der Behandlung einer Vorform mit einer Gießmasse oder einem Sol kann die Vorform in ein Sol oder in eine andere kolloidale Suspension von durch Wärme verbindbaren Keramikteilchen, wie z.B. kolloidalen Suspensionen von Siliciumdioxid und/oder Aluminiumoxid, eingetaucht werden. Die verwendete, mittels Wärme bindbare Keramik sollte mit den Fasern chemisch und mechanisch verträglich sein und sollte bei einer relativ niedrigen Temperatur (d.h. weniger als etwa 1000ºC) binden. Die mit Keramik durchdrungene Düsenvorform wird dann wärmebehandelt, um die mittels Wärme verbindbaren Keramikteilchen zu binden und die Vorform zu versteifen. Die vor der Imprägnierung mit Keramik vorhandenen Zwischenräume werden während der Versteifung mit der mittels Wärme bindbaren Keramik gefüllt, welche gebunden worden ist.
- Wenn es gewünscht ist, die Vorform durch weiteres Füllen der Zwischenräume mit Kohlenstoff oder anderem keramischen Material zu verdichten, kann die versteifte Vorform mit einem zusätzlichen Matrixvorläufermaterial imprägniert werden. Fertige Düsen können somit aus solchen Vorformdüsen durch weitere Verarbeitung hergestellt werden, welche das Imprägnieren der versteiften Vorformdüsen mit einem Kohlenstoffvorläuferharz (oder anderem keramischen Matrixvorläufer oder Mischungen davon, ggf. zusammen mit teilchenförmigen keramischen Füllstoffen) und die in-situ Pyrolyse des Vorläufers beinhaltet, um ein mit keramischer Faser verstärktes Komposit zu ergeben. Mehr als ein Imprägnierungs- Pyrolyse-Zyklus kann verwendet werden, um den gewünschten Matrixcharakter zu erzielen. Dem folgt die Beschichtung der mit keramischer Faser verstärkten Kompositvorform mit Siliciumnitrid, Bornitrid oder Siliciumcarbid oder einer Mischung davon unter Verwendung von z.B. chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD). Das Auftragen der Beschichtung kann sich der Bildung der Matrix anschließen oder sich mit dieser zeitlich überschneiden.
- Demgemäß kann die Matrix zumindest teilweise durch Pyrolyse von Matrixvorläufern erhalten werden. Unabhängig von der Fabrikationstechnik sind Matrixvorläufer typischerweise eine kolloidale Suspension oder ein kolloidales Sol oder eine präkeramisches Polymer, welches durch Erwärmen auf eine ausreichende Temperatur in einer regulierten Atmosphäre zu einer starren keramischen Matrix umgewandelt wird. Präkeramische Polymere, die beim Erwärmen unter Bildung einer Matrix aus Kohlenstoff, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumdioxid oder einer Mischung davon pyrolysieren, sind von besonderem Interesse.
- Eine Vielzahl von Kohlenstoffvorläuf erharzen ist für diesen Zweck erhältlich (z.B. Furanharze und Phenolharze). Kohlenstoffvorläuferharze sind im allgemeinen billige, wenig dichte Materialien, die für viele Anwendungen geeignet sind. Abgesehen von Kohlenstoffvorläufern stehen auch andere Keramikvorläufer, wie z.B. Polysilane, Polycarbosilane oder Polysilazane, zur Verfügung. All diese können für den Erhalt einer keramischen Matrix verwendet werden. Wenn ein Vorläufermaterial verwendet wird, wird es in-situ pyrolysiert, um eine versteifte und verdichtete Keramikkompositdüsenvorform zu ergeben. Die Pyrolyse zur Bildung einer Kohlenstoff-, Carbid- oder Nitridmatrix sollte unter nichtoxidierenden Bedingungen (z.B. in einer Stickstoffatmosphäre) durchgeführt werden. Dieses Verfahren der Vorläuferimprägnierung und -pyrolyse kann mehrere Male wiederholt werden, um ein stark verdichtetes Komposit herzustellen.
- Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung ist es vorteilhaft, Füllstoffteilchen zusammen mit einigen Matrixvorläufern, insbesondere präkeramischen Polymeren, einzuführen. Derartige Füllstoffe sollten so ausgewählt sein, daß sie mit sowohl den Verarbeitungsbedingungen (z.B. Durchdringungs- und Pyrolysetemperatur) und den für das erhaltene Komposit erwünschten Leistungscharakteristika (z.B. Wärmeausdehnung, Härte, Abnutzungsfestigkeit und Oxidationsresistenz) in Einklang stehen.
- Das Düsenbeschichtungsmaterial sollte sowohl gegenüber Haftung und Angriff durch Spritzer von geschmolzenem Metall oder Schlacke und gegenüber plötzlicher Temperaturänderung widerstandsfähig sein. Die mechanische Unversehrtheit der Beschichtung erfordert eine angemessene Anpassung der thermischen Ausdehnung der Beschichtung mit der des Substratkomposits, welches typischerweise eine moderate bis geringe Ausdehnung aufweist. Beschichtungen, die sich erfindungsgemäß als nützlich erwiesen haben, schließen Bornitrid, SiC, Sialon und insbesondere Si&sub3;N&sub4; ein. Derartige Beschichtungen können in einfacher Weise mittels chemischer Dampfphasenabscheidung aufgebracht werden. Jedoch kann ebenfalls das Auftragen mittels Flüssigkeitsbeschichtung von einem präkeramischen Polymer gefolgt von Pyrolyse eingesetzt werden. Ähnliche Verfahren, wie z.B. Solbeschichtung und Brennen oder Teilchen (z.B. Fritte)-Beschichtung gefolgt von Glas-Emaillebeschichtungsverfahren können unter der Voraussetzung eingesetzt werden, daß der Abbau der Fasern vermieden wird.
- Verschiedene Stufen des oben beschriebenen Verfahrens zur Herstellung der Vorformen und der erfindungsgemäßen fertigen Düsen können in einfacher Weise und in Übereinstimmung mit herkömmlicher Verfahrenstechnologie, einschließlich Spritzgießen, Formpressen (z.B. für Gewinde und Flansche), Extrusion und Pultrusion, kombiniert werden.
- Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung, ohne diese zu beschränken.
- Eine Anzahl von Schweißdüsen wurden basierend auf maschinell hergestellten röhrenförmigen Graphitmassevorformen mit 1,27 cm (1/2") Länge, 2,54 cm (1") Außendurchmesser, 0,3175 cm (1/8") Wanddicke hergestellt. Die Vorformen wurden maschinell derart hergestellt, daß zur Handhabung ein Flansch mit größerem Durchmesser ähnlich der in den Figuren 3 und 4 veranschaulichten Form vorlag, und sie wurden zur Einfügung in einen Schweißbrenner an dem einen Ende mit einem Gewinde versehen. Die maschinell hergestellten Vorformen wurden anschließend mit Siliciumnitrid in einem herkömmlichen CVD-Verfahren beschichtet.
- Mit den erfindungsgemäßen Düsen durchgeführte MIG-Schweißtests zeigten im Hinblick auf Erosion, Verschlackung und Brechen infolge Temperaturänderung eine überlegene Leistungsfähigkeit gegenüber unbeschichteten monolithischen Keramikdüsen. Keine Endvertiefung oder Erosion wurde beobachtet; angesammelte Schlacke haftete nur geringfügig und wurde leicht entfernt, und Bruch wurde nicht beobachtet.
- Diese Beobachtungen wurden während drei unterschiedlichen Schweißtests gemacht, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Düsen durchgeführt wurden. Bei dem ersten Test wurde MIG-Schweißen in einem kommerziellen Schweißbetrieb durchgeführt. Eine 600 Ampere-Schweißpistole mit Düsenisolator ("Supra 6", Tweco Products Co.) wurde mit den erfindungsgemäßen Düsen anstelle der herkömmlichen Kupferdüsen eingesetzt. Das Schweißen von Stahlplatten wurde bei 240 A, 50 V Gleichstrom mit reinem CO&sub2;-Schutzgas und bei 450 - 500 A, 40 V Gleichstrom durchgeführt. In beiden Fällen wurde die sich an den Enden der Düse angesammelte Schlacke einfach entfernt, und kein Abbau der Si&sub3;N&sub4;-Oberflächenbeschichtung wurde beobachtet.
- In einem zweiten Test des gleichen Typs von Schweißdüsen wie oben wurde das Schweißen in einer ähnlichen Weise mit der Ausnahme durchgeführt, daß 450 - 500 A, 32 V Gleichstrom mit einem anderen Schutzgas, 75% Ar, 25% CO&sub2;, verwendet und das Schweißen ununterbrochen für ungefähr eine Minute durchgeführt wurde. Die an dem Ende der Düse angesammelte Schlacke bröckelte einfach und sauber ab.
- Zwei Experimentaldüsen des gleichen Typs wie in Beispiel 1 wurden auf ihre Schweißleistungsfähigkeit im Vergleich zu den herkömmlichen kommerziell zur Verfügung stehenden Kupferdüsen sowie zu monolithischen reaktiongebundenen Siliciumnitrid (RBSN)-Düsen und Sialondüsen getestet. Die Tests wurden am Edison Welding Institute, Columbus, Ohio, mittels Lichtbogenschweißen mit Elektroden mit Flußmittelkern und unter Verwendung von CO&sub2; als Schutzgas durchgeführt, was zu einer rauhen Schweißumgebung und demzufolge zu einem rigorosen Test führt. Durchgängige Schweißnähte wurden auf einer rotierenden Schweißstahlröhre mit 27,9 cm (11") Durchmesser durch Führen des Brenners entlang der Achse der Röhre hergestellt. Eine 600 Ampere luftgekühlte MIG-Pistole (Tweco, "Supra 6") wurde mit 0,24 cm (3/32") Elektrodendraht bei 450 A, 32 V und unter CO&sub2;-Schutzgas verwendet. Die Düsen wurden nach 30 Minuten bzw. 3 Stunden (mit dazwischenliegender Reinigung) ununterbrochenen Schweißens untersucht.
- Der Test zeigte, daß die Kupferdüsen mit zunehmender Schweißzeit zunehmend schwieriger zu reinigen waren (Entfernung von angesammelter Schlacke). Alle Keramikdüsen waren leichter zu reinigen als die Kupferdüsen. Jedoch zeigten die RBSN- und die Sialon- Düsen ebenfalls ausgeprägte Erosion am Ende. Die mit Siliciumnitrid beschichteten Graphitdüsen (Erfindung) wurden nicht so heiß wie die anderen Keramikdüsen, waren am einfachsten zu reinigen und zeigten wenig oder keine Anzeichen von Abnutzung.
- Die Düse gemäß diesem Beispiel basierte auf einer flexiblen geflochtenen Keramikfaserhülsenvorform. Die Faser war Aluminiumborosilikat. Das Geflecht bildeten Stränge von einer Vielzahl von sehr feinen Fasern, typischerweise etwa 10 - 12 um Dicke ("Nextel", von 3M Corporation). Die Hülse war etwa 3,8 cm (1,5") lang, hatte etwa 2,2 cm (7/8") Außendurchmesser und eine Wanddicke von etwa 0,24 cm (3/32"). Die Hülse mit geflochtenen Fasern wurde zu einem Zylinder geformt und durch Imprägnierung mit kolloidalem Al&sub2;O&sub3;, anschließendem Trocknen und Hochtemperaturbrennen bei 500 - 800ºC versteift. Die versteifte Form wurde dann mit einem Furanharz imprägniert, gehärtet und anschließend bei 1000ºC pyrolysiert, um eine faserverstärkte Kohlenstoffmatrixkompositdüse zu erhalten. Die Form wurde dann innen und außen mittels herkömmlicher chemischer Dampfphasenabscheidung mit Siliciumnitrid beschichtet.
- Die Düse wurde in einem modifizierten Schweißtest verwendet, bei dem sie über einen auf einer Stahlplatte montierten Stahlstab gestülpt wurde und bei dem MIG-Schweißen des umhüllten Stahlteils bei 50 V und 140 A für mehrere Sekunden durchgeführt wurde, um die Widerstandsfähigkeit der Düse gegenüber plötzlicher Temperaturänderung zu bestimmen. Die Düse überstand diesen Test unversehrt, wohingegen andere beschichtete und unbeschichtete Nichtkomposit-Experimentaldüsen zerbrachen, welche zu der gleichen Zeit getestet wurden und welche aus einer monolithischen Mullitkeramik zusammengesetzt waren (welche normalerweise als widerstandsfähig gegenüber plötzlichen Temperaturänderungen angesehen wird).
Claims (8)
1. Schweißdüse, die
(a) eine vorgeformte Düse (1), welche im wesentlichen aus
einem Material besteht, welches aus der Gruppe
bestehend aus:
(i) Kohlenstoff,
(ii) einem Komposit von Graphitfasern in einer
Kohlenstoffmatrix,
(iii) einem Komposit von Keramikfasern in einer
Kohlenstoffmatrix,
(iv) einem Komposit von Graphitfasern in einer
Keramikmatrix und
(v) einem Komposit von Keramikfasern in einer
Keramikmatrix ausgewählt ist,
und
(b) eine Beschichtung (7) auf der Düse aufweist, welche aus
der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid, Sialon,
Siliciumcarbid, Bornitrid und Mischungen davon ausgewählt
ist.
2. Schweißdüse nach Anspruch 1, bei der die vorgeformte Düse
(1) im wesentlichen aus Graphit besteht.
3. Schweißdüse nach Anspruch 1, bei der die vorgeformte Düse
(1) ein Kohlenstoff enthaltendes Keramikfaserkomposit
enthält und die Keramikfaser eine geflochtene
Keramikfaserkomposithülse ist.
4. Schweißdüse nach Anspruch 3, bei der die geflochtene Hülse
aus Aluminiumborosilikatfaser besteht.
5. Schweißdüse nach Anspruch 2, bei der die Beschichtung (7)
Siliciumnitrid ist.
6. Schweißdüse nach Anspruch 3, bei der die Beschichtung (7)
Siliciumnitrid ist.
7. Schweißdüse nach Anspruch 1, bei der die Faser in der
vorgeformten Kohlenstoffkompositdüse Graphit ist.
8. Schweißdüse nach Anspruch 1, bei der die Faser in der
vorgeformten Kohlenstoffkompositdüse eine Keramikfaser ist.
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